Legea proporțiilor definite, explicată pentru prima dată la sfârșitul anilor 1700 de chimistul Joseph Proust, este fundamentul înțelegerii de către știința modernă a combinațiilor chimice. Se spune că, în orice volum sau masă, elementele unui compus chimic își vor menține proporția stabilită. De exemplu, un compus chimic cunoscut este apa pură, alcătuită din hidrogen și oxigen în formula H2O. Legea proporțiilor definite spune că, indiferent de cantitatea de apă – indiferent dacă este un pahar, un butoi de ploaie sau o picătură – raportul dintre hidrogen și oxigen va fi întotdeauna o parte de hidrogen la opt părți de oxigen. Această lege se aplică proporțiilor aproape tuturor compușilor chimici.
Proust a descoperit legea în timp ce efectua experimente pentru a determina formulele compușilor chimici. Experimentele sale pe o perioadă de șase ani au fost inițial pe compuși metalici, iar concluziile sale au fost diferite de știința consacrată a vremii. Descoperirile lui Proust au fost puternic contestate de alți oameni de știință. Se crede că această reacție s-a datorat confuziei din partea celor mai mulți oameni de știință din secolul al XVIII-lea cu privire la diferențele dintre compușii chimici puri și amestecați.
Un om de știință care nu a fost de acord cu Proust a fost John Dalton, care în același timp își dezvolta teoria legii proporțiilor multiple. Venind la principiu dintr-o cale diferită, el a observat că atunci când compușii erau fabricați folosind metode diferite, rapoartele lor erau direct proporționale cu elementele compuse originale. Mai mult, el a susținut că aceste rapoarte au fost întotdeauna exprimate ca numere întregi. Când a auzit legea proporțiilor definite a lui Proust, și-a dat seama că această lege, combinată cu legea proporțiilor multiple, a stat la baza celei mai vechi teorii atomice, care explica comportamentul atomilor conform legilor fixe.
Astăzi, oamenii de știință consideră legea proporțiilor definite o descoperire științifică critică. Totuși, nu este universal adevărat. Există unii compuși chimici care se combină în afara proporțiilor stricte ale acestei legi. În secolul al XVIII-lea, experimentarea nu a fost atât de precisă pe cât va deveni în secolele ulterioare; măsurătorile nu au fost raportate cu suficientă exactitate pentru a observa variații între elementele cunoscute la acel moment. În plus, izotopii și influențele lor asupra compușilor nu fuseseră încă descoperiți. Luarea în considerare a impactului izotopilor ușori și grei în analiza greutăților atomice poate explica excepțiile de la regulă.